JP3676166B2 - Method and apparatus for selecting one of coding / modulation schemes at a transmitter - Google Patents

Method and apparatus for selecting one of coding / modulation schemes at a transmitter Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信に関し、特に、無線システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の多くの無線データネットワークは、一連の固定長の物理層ブロック（単に「ブロック」と呼ぶ）にて基地局と移動体の間でデータを送信する。各ブロックは、多くのペイロードビットとパリティビットからなる。それらは、フォワードエラー訂正コード（コーディング）方式によって生成される。一般に、ブロック当たりのパリティビットを増やすと検出し訂正することができるエアリングエラーの数を増やすことができる。
【０００３】
しかし、ブロック当たりのパリティビットの数を増やすと、明らかに利用可能なペイロードビットの数が減ってしまう。従って、ジェネラルパケットラジオサービス（ＧＰＲＳ）ネットワークのような無線データネットワークはエアリンク上でデータを送信するのに複数のコーディング方式を用いる。受信した信号対音比（ＳＮＲ）が高ければ、エアリンクビットエラーレートは低くなる。結果として、パリティビットの数が少ないコーディング方式が適切な保護を与えることが多い。ＳＮＲが低ければ、エアリンクエラーに対してデータを保護するのに「強い」コーディングが必要となる。強いコーディングは各ブロックにより多くのパリティビットを加える。
【０００４】
セルラーエアリンクのエラーパフォーマンスは、移動体がセル内を移動するにつれて変化する。エアリンクを最も有効に利用するため、セルラーエアリンクの品質の変化に応じてコーディング方式が動的に選択される。現在のコーディング方式選択アルゴリズムは、チャネル品質指標（ＣＱＭ）の関数である。ＣＱＭは、例えば、ソフトビットないしソフトシンボル情報、ブロックないしビットエラーレート評価、受信信号強度、および／または搬送波対干渉比（Ｃ／Ｉ）の関数である。
【０００５】
例えば、与えられたコーディング方式におけるＣ／Ｉに関して、ブロックエラーを発生させる伝送の部分は、受信信号のＣ／Ｉ値が増えると減る。シミレーションないし解析技術を用いると、ペイロードビットがＣ／Ｉの関数としてエアリンク上を運ばれたレートを評価することができる。無線データネットワークにおいて利用可能な全てのコーディング方式に対してスループット対Ｃ／Ｉ曲線をプロットすると、コーディング方式を切り替えるのに有利なＣ／Ｉの値を示す。
【０００６】
図１には、３つのコーディング方式Ｉ、II、IIIに対するスループットＣ／Ｉのプロットを示してある。コーディング方式Ｉは最も強く、コーディング方式IIIは最も弱い。Ｃ／Ｉ切り替えポイントは、しばしば送信器においてハードコーディングされる。Ｃ／Ｉ測定に基づいて、送信器は評価された受信Ｃ／Ｉレベルにて最もよいパフォーマンス（最も高いスループット／最も低い遅延）を与えるコーディング方式へと切り替わる。
【０００７】
エンハンスドＧＰＲＳ、北米ＴＤＭＡパケットデータチャネルのような他のシステムにて、類似な選択技術が用いられている。例えば、チャネルコーディングレートの代わりあるいはこれに加えて、変化するＣ／Ｉに対して同様なトレードオフを実現するために変調方式（信号コンステレーションサイズ）を変化するものがある。従って、北米ＴＤＭＡパケットデータチャネルにおいて、チャネルコーディングレートは固定化され（５／６に)、変調方式は４レベル（ＤＱＰＳＫ)と８レベル（コヒレント８ＰＳＫ）の間で切り替えられる（１６レベル（未だ規定されていない）まで拡張することができる)。
【０００８】
この場合、もし３つのフォーマットＩ、II、IIIを３つの変調方式と考えれば、図１に示したようなものと同じパフォーマンスのトレードオフが適用される。（本明細書において、「コーディング／変調方式」は、信号を送信するのに用いられるコーディング方式、変調方式、コーディングおよび変調方式のいずれをも意味する。）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
我々は、ＣＱＭのみ（例えば、Ｃ／Ｉ）に基づくコーディング／変調方式を選択することはブロックにおける空きバンド幅をいずれも有利に用いていないことを観測した。従って、データ方向は特定のブロックに対して最大化されていない。例えば、ペイロードビットはまとまったブロック数で常に送られる。１バイトのペイロードを送られることを望む送信器は、どのコーディング／変調器方式を用いているかに関わらず１ブロックを送らなければならない。しかし、もしコーディング／変調方式の選択がＣＱＭのみに基づいていれば、パリティビットの数が最も少ないコーディング／変調方式が、空きバンド幅がブロックにおいて利用可能であることに関わらず用いられる。結果的に、パリティビットの数が最も少ないコーディングを用いると、データ保護のレベルが低くなり、エアリンクを有効利用ができなくなってしまう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によるコーディング／変調選択方式は、ＣＱＭ測定およびブロックにて送られるペイロードビットの量を考慮する。結果として、与えられたペイロードビットの量に対して最も強いコーディング／変調方式を用いることができる。
【００１１】
一実施例において、送信器は、無線データネットワーク上でデータを送信する際にｋのコーディング／変調方式のうちの１つを用いる。送信器はまず、Ｃ／Ｉ測定の関数としてコーディング／変調方式Ｃを選択する。続いて送信器は、コーディング／変調方式Ｃを用いてデータパケット群Ｄを送信するのに必要なブロック数Ｂを計算する。また、送信器は、選択されたコーディング／変調方式Ｃよりも強い各コーディング／変調方式に対して、データパケット群Ｄを送信するのに必要なブロック数を計算する。
【００１２】
最終的に送信器は、最も強いコーディング／変調方式を用いてＢブロックにおけるデータパケット群Ｄを送信するコーディング／変調方式を選択する。結果として、各ブロックは利用可能な最も強いコーディング／変調方式を用いて送信される。従って、再送信は少なくなり、パケット送信遅延は、低くなって変動は少なくなり、最大スループットを高く実現することができるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図２には、本発明の原理に従う無線送信器部分のブロック図を示す。本発明のコンセプト以外は、図２における要素は周知であり、詳細には説明しない。同様に、対応する受信器や送信器の他の部分（図示せず）のような無線システムの残りの部分は周知であり詳細には説明しない。
【００１４】
送信器部分１００は、受信器１０５、コントローラ１１０、送信器バッファ１１５、送信器１２０を備える。受信器１０５は受信された無線信号を処理し、信号１０６によってＣ／Ｉの測定値ないし評価および回復したデータを与える。（本明細書において、信号は、シグナリング情報を与える多くの方法のうちのいずれをも意味する。例えば、これは、受信器１０５が別々のＩＣまたはコントローラ１１０の一部である場合においてソフトウェアレジスタによって、あるいはハードワイヤのシリアルまたはパラレル信号路により与えられる。）
【００１５】
コントローラ１１０は、メモリー（図示せず）を有する格納プログラム制御マイクロプロセッサであり、送信バッファ１１５にて送信のためにペンディング状態であるデータ量Ｄを表す信号１１６および測定したＣ／Ｉを受信する。本発明の原理に従い、下で詳細に述べるように、コントローラ１１０は、選択したコーディング／変調方式が与えられた測定Ｃ／ＩおよびデータＤに対して最大の利用可能保護を用いてデータＤを送信するように、ｋの利用可能コーディング／変調方式（各コーディング／変調方式は異なる量のエラー保護を与える）からコーディング／変調方式を選択する。コントローラ１１０は選択したコーディング／変調方式を用いてデータＤを送信するために送信器１２０を制御する。
【００１６】
図３において、コントローラ１１０にて用いられる本発明の原理を用いる方法の流れ図を示した。Ｃ／Ｉを１０５により測定ないし評価する（２１０)。コントローラ１１０により測定したＣ／Ｉを用い（２１５)、従来技術（例えば、ｋ＝３利用可能なコーディング／変調方式に対して図１に示したものと類似のスループット対Ｃ／Ｉ曲線に従う選択を行う）の技術を用いて測定したＣ／Ｉにおけるスループットを最大にする（ｋの利用可能なコーディング／変調方式から）コーディング／変調方式Ｃを選択する。
【００１７】
コーディング／変調方式Ｃを選択すると、コントローラ１１０は、選択したコーディング／変調方式Ｃにてデータ量Ｄを表すデータパケットのセットを送信するのに必要な物理層ブロックＢの数を決める（２２０)。コントローラ１１０は、同じ物理層ブロックの数Ｂを用いて、データＤをまた送信するｋの利用可能なコーディング／変調方式のうちの最も強いコーディング／変調方式Ｃ*を決める（２２５)。コントローラ１１０はコーディング／変調方式Ｃ*を用いて送信を待つパケットを送信するために送信器１２０を制御する。
【００１８】
ＧＰＲＳネットワークにおいて、ＧＰＲＳにて用いられる４つのコーディング／変調方式全てに対して、ＴＣＰ（トランスミッションコントロールプロトコル）アクノーレッジメント（肯定応答）パケット（ネイティブＴＣＰ／ＩＰヘッダー圧縮がＧＰＲＳにより適用される後）が１つの物理層ブロックに収まることを我々は認識した。ＴＣＰアクノーレッジパケットは、ＧＰＲＳネットワーク上を運ばれるデータパケットの大部分を構成することがしばしばである。実際にインターネットパケットの大部分は１もしくは２のＧＰＲＳエアリンクブロックへと収まるであろう。例えば、インターネットバックボーン測定により、パケットの約半分の長さが６４バイト以下の長さであることを示している。従って、ＧＰＲＳネットワークに本発明の原理を用いると、ＴＣＰ／ＩＰトラフィックの部分に対して効率を改善し再伝送率を下げることができる。
【００１９】
本明細書において、離散的な機能ブロック（例えば、送信バッファ１１５）によって本発明の原理を示したが、これらブロックのいずれの機能をも１もしくは複数の適切にプログラムされたプロセッサないしプロセッシング回路（例えば、デジタルシグナルプロセッサ、離散的回路要素、ＩＣ）によって実現することができる。またＣ／Ｉに関連して本発明の原理を説明したが、いずれのＣＱＭをも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スループット対Ｃ／Ｉ曲線のグラフ図。
【図２】本発明の原理を用いる送信器部分。
【図３】本発明の原理を用いる方法の流れ図。
【符号の説明】
２１０ ＣＱＭを測定
２１５ 測定したＣＱＭの関数としてｋのチャネルコーディングから１つを選択
２２０ 選択したコーディング／変調方式を用いて、データＤを送信するのに必要なブロック数Ｂを決める
２２５ データＤをＢのブロックで送信する最も強いコーディング／変調方式を選択
２３０ 選択した最も強いコーディング／変調方式を用いて送信[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to communication, and more particularly, to a wireless system.
[0002]
[Prior art]
Many wireless data networks today transmit data between base stations and mobiles in a series of fixed length physical layer blocks (simply referred to as “blocks”). Each block consists of a number of payload bits and parity bits. They are generated by a forward error correction code (coding) scheme. In general, increasing the number of parity bits per block can increase the number of airing errors that can be detected and corrected.
[0003]
However, increasing the number of parity bits per block clearly reduces the number of available payload bits. Thus, wireless data networks such as General Packet Radio Service (GPRS) networks use multiple coding schemes to transmit data over the air link. The higher the received signal to sound ratio (SNR), the lower the air link bit error rate. As a result, coding schemes with a small number of parity bits often provide adequate protection. Low SNR requires “strong” coding to protect data against air link errors. Strong coding adds more parity bits to each block.
[0004]
The error performance of the cellular air link changes as the mobile moves through the cell. In order to use the air link most effectively, the coding scheme is dynamically selected according to the change in the quality of the cellular air link. The current coding scheme selection algorithm is a function of the channel quality indicator (CQM). CQM is a function of, for example, soft bit or soft symbol information, block or bit error rate estimation, received signal strength, and / or carrier to interference ratio (C / I).
[0005]
For example, for a C / I in a given coding scheme, the portion of the transmission that causes a block error decreases as the C / I value of the received signal increases. Using simulation or analysis techniques, it is possible to evaluate the rate at which payload bits were carried over the air link as a function of C / I. Plotting the throughput versus C / I curve for all coding schemes available in a wireless data network shows advantageous C / I values for switching coding schemes.
[0006]
FIG. 1 shows a plot of throughput C / I for three coding schemes I, II, and III. Coding scheme I is the strongest and coding scheme III is the weakest. C / I switching points are often hard-coded at the transmitter. Based on the C / I measurement, the transmitter switches to the coding scheme that gives the best performance (highest throughput / lowest delay) at the estimated received C / I level.
[0007]
Similar selection techniques are used in other systems such as Enhanced GPRS and North American TDMA packet data channels. For example, instead of or in addition to the channel coding rate, there is one that changes the modulation scheme (signal constellation size) in order to realize a similar trade-off for changing C / I. Therefore, in the North American TDMA packet data channel, the channel coding rate is fixed (to 5/6) and the modulation scheme is switched between 4 levels (DQPSK) and 8 levels (coherent 8PSK) (16 levels (still defined). Can be extended to not)).
[0008]
In this case, if the three formats I, II and III are considered as three modulation schemes, the same performance trade-off as shown in FIG. 1 is applied. (In this specification, “coding / modulation scheme” means any of the coding scheme, modulation scheme, coding and modulation scheme used to transmit a signal.)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
We have observed that selecting a coding / modulation scheme based only on CQM (eg C / I) does not advantageously use any available bandwidth in the block. Thus, the data direction is not maximized for a particular block. For example, payload bits are always sent as a block number. A transmitter that wishes to be sent a 1-byte payload must send one block regardless of which coding / modulator scheme is used. However, if the coding / modulation scheme selection is based solely on CQM, the coding / modulation scheme with the least number of parity bits is used regardless of the availability of available bandwidth in the block. As a result, when the coding with the smallest number of parity bits is used, the level of data protection becomes low and the air link cannot be used effectively.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The coding / modulation selection scheme according to the present invention takes into account CQM measurements and the amount of payload bits sent in the block. As a result, the strongest coding / modulation scheme can be used for a given amount of payload bits.
[0011]
In one embodiment, the transmitter uses one of the k coding / modulation schemes when transmitting data over the wireless data network. The transmitter first selects coding / modulation scheme C as a function of C / I measurement. Subsequently, the transmitter calculates the number B of blocks necessary for transmitting the data packet group D using the coding / modulation scheme C. In addition, the transmitter calculates the number of blocks required to transmit the data packet group D for each coding / modulation scheme stronger than the selected coding / modulation scheme C.
[0012]
Finally, the transmitter selects a coding / modulation scheme for transmitting the data packet group D in the B block using the strongest coding / modulation scheme. As a result, each block is transmitted using the strongest coding / modulation scheme available. Accordingly, the number of retransmissions is reduced, the packet transmission delay is reduced and the fluctuation is reduced, and the maximum throughput can be realized.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 2 shows a block diagram of a wireless transmitter portion in accordance with the principles of the present invention. Other than the inventive concept, the elements in FIG. 2 are well known and will not be described in detail. Similarly, the remaining portions of the wireless system, such as the corresponding receiver and other portions of the transmitter (not shown), are well known and will not be described in detail.
[0014]
The transmitter portion 100 includes a receiver 105, a controller 110, a transmitter buffer 115, and a transmitter 120. Receiver 105 processes the received radio signal and provides a C / I measurement or estimated and recovered data by signal 106. (In this specification, a signal means any of a number of ways of providing signaling information. For example, this is done by a software register in the case where the receiver 105 is part of a separate IC or controller 110. Or given by a hardwired serial or parallel signal path.)
[0015]
The controller 110 is a stored program control microprocessor having a memory (not shown), and receives a signal 116 representing a data amount D in a pending state for transmission and a measured C / I in a transmission buffer 115. In accordance with the principles of the present invention, as described in detail below, the controller 110 transmits data D with maximum available protection for the measured C / I and data D given the selected coding / modulation scheme. As such, the coding / modulation scheme is selected from the k available coding / modulation schemes (each coding / modulation scheme provides a different amount of error protection). The controller 110 controls the transmitter 120 to transmit data D using the selected coding / modulation scheme.
[0016]
In FIG. 3, a flow diagram of a method using the principles of the present invention used in the controller 110 is shown. C / I is measured or evaluated by 105 (210). Using C / I measured by controller 110 (215), a selection according to a throughput vs. C / I curve similar to that shown in FIG. 1 for the prior art (eg, k = 3 available coding / modulation scheme). The coding / modulation scheme C is selected (from the k available coding / modulation schemes) that maximizes the throughput at C / I measured using the technique of
[0017]
When coding / modulation scheme C is selected, controller 110 determines the number of physical layer blocks B required to transmit a set of data packets representing data amount D in the selected coding / modulation scheme C (220). Controller 110 uses the same number B of physical layer blocks to determine the strongest coding / modulation scheme C * of k available coding / modulation schemes that also transmit data D (225). Controller 110 controls transmitter 120 to transmit a packet awaiting transmission using coding / modulation scheme C * .
[0018]
In a GPRS network, for all four coding / modulation schemes used in GPRS, a TCP (Transmission Control Protocol) acknowledgment packet (after native TCP / IP header compression is applied by GPRS) We recognized that it could fit in one physical layer block. TCP acknowledge packets often make up the majority of data packets carried over the GPRS network. In fact, the majority of Internet packets will fit into one or two GPRS air link blocks. For example, Internet backbone measurements indicate that approximately half the length of a packet is 64 bytes or less. Therefore, when the principle of the present invention is used in a GPRS network, the efficiency can be improved and the retransmission rate can be lowered for the TCP / IP traffic portion.
[0019]
Although the principles of the present invention have been illustrated herein by discrete functional blocks (eg, transmit buffer 115), any of the functions of these blocks may be performed by one or more appropriately programmed processors or processing circuits (eg, , Digital signal processor, discrete circuit element, IC). Although the principles of the present invention have been described in relation to C / I, any CQM can be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph of throughput versus C / I curve.
FIG. 2 is a transmitter portion using the principles of the present invention.
FIG. 3 is a flow diagram of a method using the principles of the present invention.
[Explanation of symbols]
210 Measure CQM 215 Select one of k channel codings as a function of the measured CQM 220 Determine the number of blocks B required to transmit data D using the selected coding / modulation scheme 225 Data D to B Selects the strongest coding / modulation scheme to be transmitted in a block of 230. Transmits using the selected strongest coding / modulation scheme.

Claims (6)

送信器においてｋ個のコーディング／変調方式のうちから最も強いコーディング／変調方式を選択するための方法であって、
（ａ）チャネル品質指標（ＣＱＭ）を測定するステップと、
（ｂ）測定されたＣＱＭの関数として、該ｋ個のコーディング／変調方式のうちの最初の１つを選択するステップと、
（ｃ）該最初のコーディング／変調方式を用いて与えられた量Ｄのデータを送信するのに必要なブロック数Ｂを計算するステップと、
（ｄ）できるだけ多くのパリティビットを用いて、Ｄ個のデータのすべてをＢ個のブロックで送信することとなる次のコーディング／変調方式であって、最も強いコーディング／変調方式から成る次のコーディング／変調方式を、該ｋ個のコーディング／変調方式の中から選択するステップと、
を有することを特徴とする方法。A method for selecting the strongest coding / modulation scheme among k coding / modulation schemes at a transmitter,
(A) measuring a channel quality indicator (CQM);
(B) as a function of the measured CQM, selecting a first one of said k-number of coding / modulation schemes,
(C) calculating the number of blocks B required to transmit a given amount D of data using the first coding / modulation scheme;
(D) The next coding / modulation scheme that will transmit all of the D data in B blocks using as many parity bits as possible , the next coding comprising the strongest coding / modulation scheme Selecting a modulation scheme from the k coding / modulation schemes ;
A method characterized by comprising: 前記ステップ（ｄ）が、前記選択された次のコーディング／変調方式よりも高い保護を与える他のコーディング／変調方式の各々に対してＤ個のデータを送信するのに必要なブロック数をそれぞれ計算するステップを含む請求項１記載の方法。Wherein step (d), calculated the selected next coding / modulation scheme the number of blocks required to transmit the D data for the respective other coding / modulation scheme which gives a higher protection than the respective The method of claim 1 including the step of: 前記送信器が、無線送信器である請求項１記載の方法。The method of claim 1, wherein the transmitter is a wireless transmitter. チャネル品質指標（ＣＱＭ）を測定する際に用いる受信回路と、
（ａ）チャネル品質指標（ＣＱＭ）を測定し、
（ｂ）該測定されたＣＱＭの関数として、ｋ個のコーディング／変調方式のうちの最初の１つを選択し、
（ｃ）該最初のコーディング／変調方式を用いて与えられた量Ｄのデータを送信するのに必要なブロック数Ｂを計算し、および
（ｄ）できるだけ多くのパリティビットを用いて、Ｄ個のデータのすべてをＢ個のブロックで送信することとなる次のコーディング／変調方式であって、最も強いコーディング／変調方式から成る次のコーディング／変調方式を、該ｋ個のコーディング／変調方式の中から選択する、
よう動作するプロセッサと、を備えることを特徴とする送信器。A receiving circuit for use in measuring the channel quality indicator (CQM),
(A) measure the channel quality indicator (CQM),
(B) selecting the first one of the k coding / modulation schemes as a function of the measured CQM ;
(C) calculating the number of blocks B required to transmit a given amount of data using the first coding / modulation scheme ; and
And (d) using as many parity bits, a next coding / modulation scheme to be able to send all the D data in B blocks, the next coding consisting strongest coding / modulation scheme Selecting a modulation scheme from the k coding / modulation schemes;
Transmitter characterized in that it comprises a processor and operable. 前記送信器が、各ブロックがデータビットおよびパリティビットからなる固定長のブロックを送信する請求項４記載の送信器。  5. The transmitter according to claim 4, wherein the transmitter transmits a fixed-length block in which each block includes data bits and parity bits. 前記送信器が無線送信器である請求項４記載の送信器。 The transmitter of claim 4, wherein the transmitter is a wireless transmitter.
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